基于西門子PLC系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉德海 阮理想 王高芝 馬 雷

(河南煤業(yè)化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

主提升運(yùn)輸系統(tǒng)作為礦山企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)礦山的安全高效運(yùn)行具有及其重要的作用，為提升主提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行性能，其控制方式由傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)向數(shù)字式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，由于西門子PLC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高、對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但是PLC控制系統(tǒng)對(duì)檢修人員的素質(zhì)要求較高，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)要依靠廠家技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)，不利于煤礦的提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行，為解決新技術(shù)與工人素質(zhì)不高的矛盾，設(shè)計(jì)開發(fā)一臺(tái)基于PLC控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的組成

該試驗(yàn)平臺(tái)由外部輸入、輸出設(shè)備，西門子S7-300PLC，終端顯示器3部分組成。如圖1所示。其中輸入設(shè)備用來根據(jù)實(shí)際控制需要接收外部開關(guān)量、模擬量信號(hào)，輸出設(shè)備用來顯示程序執(zhí)行后的實(shí)際效果，通過S7-300PLC通訊口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通訊，上傳下載應(yīng)用程序。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 檢驗(yàn)程序

將編好的應(yīng)用程序輸入到微機(jī)內(nèi)，利用軟件進(jìn)行程序檢驗(yàn)，起初有幾處編程語法錯(cuò)誤，經(jīng)過幾次認(rèn)真修改后，程序無誤。然后傳入PLC內(nèi)。

2.2 信號(hào)模擬

用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)，接入相對(duì)應(yīng)的輸入端點(diǎn)。輸入程序后，扳動(dòng)開關(guān)，接通或斷開模擬開關(guān)，用來模擬相應(yīng)按鈕動(dòng)作及機(jī)械動(dòng)作使檢測(cè)元件狀態(tài)發(fā)生的變化，并通過輸入輸出指示燈來觀查輸入輸出端點(diǎn)的狀態(tài)變化，經(jīng)觀察模擬開關(guān)與PLC連接正確。

2.3 按程序進(jìn)行模擬運(yùn)行

先對(duì)照輸入信號(hào)表，設(shè)置好原始狀態(tài)下所有輸入信號(hào)的狀態(tài)，再使PLC運(yùn)行，按下相應(yīng)按鈕，按梯形圖程序，觀察輸出情況，經(jīng)觀察符合程序設(shè)定的輸出;按工步狀態(tài)在一個(gè)工作循環(huán)里逐步轉(zhuǎn)換的順序依次發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令信號(hào)，系統(tǒng)將結(jié)束一個(gè)工步狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個(gè)工步狀態(tài)，將轉(zhuǎn)換情況和已編的程序相比較，知轉(zhuǎn)換情況與程序設(shè)定的輸出情況相同，電氣原理圖仿真及程序調(diào)試成功。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井提升系統(tǒng)運(yùn)輸設(shè)備的控制特點(diǎn)及PLC控制的基本原理，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具備開關(guān)量邏輯控制，運(yùn)動(dòng)控制，閉環(huán)過程控制、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能。

外部輸入開關(guān)量設(shè)備采用用轉(zhuǎn)換開關(guān)，按鈕作為PLC的輸入設(shè)備，輸出設(shè)備采用帶指示燈的24V繼電器作為PLC的外部輸出，西門子S7-300應(yīng)包括中央處理單元、電源模塊、信號(hào)模塊、接口模塊、通訊處理模塊導(dǎo)軌等部件。其硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。其中中央處理單元CPU用于儲(chǔ)存和處理用戶程序，控制集中式和分布式I/O，電源模塊用于將AC220V電源轉(zhuǎn)換為DC24V電源，信號(hào)模塊使外部的輸入輸出信號(hào)與PLC內(nèi)部的電平信號(hào)匹配。接口模塊用于多機(jī)架擴(kuò)展連接，通訊處理用于PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，可以使PLC接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4 輸出電路設(shè)計(jì)

輸出設(shè)備采用電磁繼電器控制，電磁繼電器是一種由小電流的通斷控制大電流通斷的常用開關(guān)控制器件，如圖2所示：電磁繼電器的工作原理是當(dāng)它的電磁鐵線圈通過一定數(shù)值的電流時(shí)，產(chǎn)生的電磁鐵吸引力大于彈簧的反作用力，銜鐵動(dòng)作使輸出回路中的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)打開。當(dāng)通過線圈的電流小于釋放電流時(shí)，彈簧將銜鐵彈回，輸出回路各觸點(diǎn)恢復(fù)原態(tài)。它也具有控制電壓低、驅(qū)動(dòng)電流小、直流或脈沖電壓均能作為輸入控制電壓的特點(diǎn)。

圖2 電磁繼電器控制原理

5 抗干擾設(shè)計(jì)

由于PLC系統(tǒng)在工作過程中會(huì)存在干擾，影響信號(hào)傳輸?shù)木_性與靈敏性，針對(duì)干擾的來源，主要采用正確接地、隔離與屏蔽等抗干擾措施。

5.1 正確接地

接地保護(hù)是指通過接地保護(hù)設(shè)備和抑制干擾，是防止從接地系統(tǒng)傳來干擾的常用措施。由于本測(cè)控系統(tǒng)中包含的設(shè)備較多，由多個(gè)設(shè)備公共地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，采用并聯(lián)接地的方法來切斷干擾。

5.2 隔離與屏蔽

隔離和屏蔽是抑制干擾耦合的有效措施，隔離變壓器和光電耦合器是典型的隔離器件。由于干擾信號(hào)的電壓較大，而電流很小，因此用隔離變壓器減少對(duì)有用信號(hào)的影響，在電源變壓器和低通濾波器之間加隔離變壓器把工業(yè)電網(wǎng)和測(cè)控系統(tǒng)隔離開，消除因公共地電阻引起的耦合，減少負(fù)載波動(dòng)的影響。

6 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，配備多種高級(jí)語言，若選擇適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)，則可提供優(yōu)良的軟件平臺(tái)，開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，特別是動(dòng)態(tài)畫面顯示，實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)通訊使試驗(yàn)平臺(tái)成功運(yùn)行的關(guān)鍵，把PC開發(fā)成PLC編程終端，通過編程器接口接入PLC，進(jìn)行編程、調(diào)試及監(jiān)控。

6.1 西門子S7-300通訊協(xié)議

S7-300CPU支持的主要通訊協(xié)議有PPI、MPI和PROFIBUS協(xié)議。

PPI協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口模式，屬于典型的主從協(xié)議模式，這種協(xié)議模式對(duì)主站的數(shù)量有一定的限制一般不超過32個(gè)，但是對(duì)于任意一個(gè)從站與之通訊的主站的數(shù)量不受PPI限制，當(dāng)從站接到主站發(fā)送的要求時(shí)，從站響應(yīng)要求，但不發(fā)送信息。等待主站進(jìn)一步信息。

MPI協(xié)議允許兩種通訊模式，即主—主通訊和主—從通訊，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過任意兩個(gè)設(shè)備的連接進(jìn)行通訊。

PROFIBUS協(xié)議在于實(shí)現(xiàn)與分布式I/O的高速通訊，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主站和若干個(gè)從站，主站不斷讀寫從站的數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)DP主站成功配置了一個(gè)DP從站后，它就擁有了這個(gè)從站設(shè)備。

本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與PLC的通訊采用MPI協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)適配器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的連接，這種方式不需要增加投資，有較好的靈活性，適合本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制要求。

7 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功運(yùn)用，提高了檢修人員對(duì)PLC基本結(jié)構(gòu)、程序編寫、硬件組態(tài)的理解，提高了檢修人員的維修技能，減少了主提升控制系統(tǒng)的影響時(shí)間，保證了礦井主提升運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)的安全運(yùn)行。

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